实时动态阴影算法的研究与实现

论文摘要

近年来,随着计算机实时绘制领域迅猛发展,人们对真实感图形的需求也与日俱增。阴影效果在真实感图像的生成和物体位置的判断方面扮演了重要的角色,它提供了光源对物体的照射信息,对于人们理解三维场景影响巨大。目前阴影技术己成功地应用在视频游戏、电影制作、虚拟场景中。然而,在动态场景中实时绘制具有真实感的阴影仍是一个巨大的挑战。对于阴影生成算法,人们已经做了很多研究,现有的阴影算法分为两大类:硬阴影算法和软阴影算法。所谓硬阴影算法是指场景中的点只有在阴影中或在阴影之外两种状态,这种阴影是假设在只有理论上的“点光源”照射下的。在硬阴影算法中,投影阴影,阴影映射和阴影体是三种常用的硬阴影算法。其中投影阴影是静态的阴影算法,而阴影映射和阴影体是动态的阴影算法,随着强大的可编程图形硬件的问世,阴影映射和阴影体这两种动态阴影算法得到了广泛的应用,同时它们也是很多软阴影算法的基础。相对于硬阴影,软阴影考虑了本影和半影的形成,使得阴影的过渡更为自然,比硬阴影有更多的真实感,但也更难以实现。本文主要概述了一些阴影生成算法,其中重点介绍了那些实时动态阴影算法的原理,并对它们各子的特点和局限性进行了比较分析,然后给出了具体的实现方法,并最后进行了相关实验。通过对现有算法的深入研究,本文扩展了其中的一个算法,提出了一个基于阴影映射算法的软阴影算法。算法首先以光源为视点生成包含场景深度信息的“阴影映射图”,然后从观察者视点将场景渲染到一个屏幕纹理缓冲中,进而对此纹理采用percentage closer filtering (PCF)策略进行反走样,最后采用高斯滤波对阴影进行模糊处理。与其他算法相比,本算法在阴影真实感和实时性方面做出了较好的平衡。实验结果表明该算法不仅得到了较好的软阴影效果,并且也有较好的实时性,可适应实时动态变化场景的需求。最后,本文对实时动态阴影技术的发展方向进行了展望,针对新的发展趋势提出了一些值得深入研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 阴影中的相关技术
• 2.1 阴影的基本概念
• 2.1.1 什么是阴影
• 2.1.2 阴影的作用
• 2.1.3 硬阴影和软阴影
• 2.2 实时动态阴影
• 2.3 可编程图形硬件
• 2.3.1 渲染管道
• 2.3.2 着色语言
• 2.4 反走样
• 2.4.1 提高分辨率
• 2.4.2 区域采样
• 2.4.3 加权区域采样
• 第三章 硬阴影算法
• 3.1 引言
• 3.2 投影法
• 3.2.1 算法原理
• 3.2.2 实现中的几个关键问题
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 阴影映射图算法
• 3.3.1 算法原理
• 3.3.2 算法特点分析
• 3.3.3 实现
• 3.3.4 实验结果
• 3.4 阴影体算法
• 3.4.1 算法原理
• 3.4.2 算法特点分析
• 3.4.3 实现
• 3.5 三种算法的比较分析
• 3.6 小结
• 第四章 软阴影算法
• 4.1 引言
• 4.2 图像空间的算法
• 4.2.1 组合多个采样点的阴影映射算法
• 4.2.2 多层的衰减表算法
• 4.2.3 线性光源及面光源的阴影映射算法
• 4.2.4 使用单个采样点的软阴影算法
• 4.2.5 卷积技术
• 4.3 对象空间的算法
• 4.3.1 组合多个硬阴影
• 4.3.2 光滑翼
• 4.3.3 软阴影体
• 4.4 小结
• 第五章 基于阴影映射的软阴影算法及实现
• 5.1 引言
• 5.2 软阴影算法
• 5.2.1 算法步骤
• 5.2.2 生成阴影映射图
• 5.2.3 将场景的阴影信息渲染到屏幕纹理缓冲中
• 5.2.4 对带阴影信息的屏幕缓冲纹理进行反走样和模糊处理
• 5.2.5 渲染带阴影的场景
• 5.3 实现中的几个关键问题
• 5.3.1 阴影效果的绘制
• 5.3.2 精度问题
• 5.3.3 阴影边缘反走样
• 5.3.5 模糊处理
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 对实时动态阴影技术的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书